Per aumentare la velocità di elaborazione e ridurre il consumo energetico dei dispositivi elettronici, l'industria della microelettronica continua a spingere per dimensioni sempre più piccole. I transistor nei telefoni cellulari di oggi sono in genere di 10 nanometri (nm) di diametro, equivalenti a circa 50 atomi di silicio di larghezza, o più piccoli. Ridimensionare i transistor al di sotto di queste dimensioni con una maggiore precisione richiede materiali avanzati per la litografia, la tecnica principale per stampare elementi di circuiti elettrici su wafer di silicio per produrre chip elettronici. Una sfida è lo sviluppo di robuste "resiste, " o materiali che vengono utilizzati come modelli per il trasferimento di schemi di circuito in substrati utili per il dispositivo come il silicio.

Ora, scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, hanno utilizzato la tecnica di sintesi per infiltrazione recentemente sviluppata per creare resist che combinano il polimero organico poli(metilmetacrilato ), o PMMA, con ossido di alluminio inorganico. Grazie al suo basso costo e all'alta risoluzione, Il PMMA è il resist più utilizzato nella litografia a fascio di elettroni (EBL), una sorta di litografia in cui gli elettroni vengono utilizzati per creare il modello del modello. Però, agli spessori di resist che sono necessari per generare le dimensioni delle caratteristiche ultrapiccole, i modelli in genere iniziano a degradarsi quando vengono incisi nel silicio, non riuscendo a produrre il rapporto di aspetto elevato richiesto (altezza a larghezza).

Come riportato in un articolo pubblicato online l'8 luglio nel Journal of Materials Chemistry C , questi resist organico-inorganici "ibridi" presentano un elevato contrasto litografico e consentono la modellazione di nanostrutture di silicio ad alta risoluzione con un elevato rapporto di aspetto. Modificando la quantità di ossido di alluminio (o un diverso elemento inorganico) infiltrato nel PMMA, gli scienziati possono mettere a punto questi parametri per applicazioni particolari. Per esempio, i dispositivi di memoria di nuova generazione come le unità flash si baseranno su una struttura di impilamento tridimensionale per aumentare la densità di memoria, quindi è desiderabile un rapporto di aspetto estremamente elevato; d'altra parte, una risoluzione molto alta è la caratteristica più importante per i futuri chip del processore.

"Invece di intraprendere un percorso di sintesi completamente nuovo, abbiamo usato un resist esistente, un ossido di metallo poco costoso, e attrezzature comuni presenti in quasi tutti gli impianti di nanofabbricazione, " ha detto il primo autore Nikhil Tiwale, un associato di ricerca post-dottorato nel gruppo CFN Electronic Nanomaterials.

Sebbene siano stati proposti altri resist ibridi, la maggior parte di essi richiede alte dosi di elettroni (intensità), implicano complessi metodi di sintesi chimica, o avere composizioni proprietarie costose. Così, questi resist non sono ottimali per l'alto tasso, produzione ad alto volume di elettronica di nuova generazione.

Nanolitografia avanzata per la produzione di grandi volumi

Convenzionalmente, l'industria della microelettronica si è affidata alla litografia ottica, la cui risoluzione è limitata dalla lunghezza d'onda della luce a cui viene esposto il resist. Però, L'EBL e altre tecniche di nanolitografia come la litografia ultravioletta estrema (EUVL) possono spingere questo limite a causa della lunghezza d'onda molto piccola degli elettroni e della luce ultravioletta ad alta energia. La principale differenza tra le due tecniche è il processo di esposizione.

"In EBL, devi scrivere tutta l'area che devi esporre riga per riga, un po' come fare uno schizzo con una matita, " disse Tiwale. "Al contrario, in EUVL, puoi esporre l'intera area in un colpo solo, simile a scattare una fotografia. Da questo punto di vista, EBL è ottimo per scopi di ricerca, e EUVL è più adatto per la produzione ad alto volume. Riteniamo che l'approccio che abbiamo dimostrato per EBL possa essere applicato direttamente a EUVL, che aziende tra cui Samsung hanno recentemente iniziato a utilizzare per sviluppare processi di produzione per il loro nodo tecnologico a 7 nm."

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato un sistema di deposizione di strati atomici (ALD), un pezzo standard di attrezzatura di nanofabbricazione per depositare pellicole ultrasottili sulle superfici, per combinare PMMA e ossido di alluminio. Dopo aver posizionato un substrato rivestito con un sottile film di PMMA nella camera di reazione ALD, hanno introdotto un vapore di un precursore di alluminio che si è diffuso attraverso minuscoli pori molecolari all'interno della matrice PMMA per legarsi con le specie chimiche all'interno delle catene polimeriche. Quindi, hanno introdotto un altro precursore (come l'acqua) che ha reagito con il primo precursore per formare ossido di alluminio all'interno della matrice PMMA. Questi passaggi insieme costituiscono un ciclo di elaborazione.

Il team ha quindi eseguito l'EBL con resist ibridi che avevano fino a otto cicli di elaborazione. Per caratterizzare il contrasto dei resist sotto diverse dosi di elettroni, gli scienziati hanno misurato la variazione dello spessore del resist all'interno delle aree esposte. Mappe dell'altezza della superficie generate con un microscopio a forza atomica (un microscopio con una punta atomicamente appuntita per tracciare la topografia di una superficie) e misurazioni ottiche ottenute tramite ellissometria (una tecnica per determinare lo spessore del film basata sulla variazione della polarizzazione della luce riflessa da un superficie) ha rivelato che lo spessore cambia gradualmente con un basso numero di cicli di lavorazione ma rapidamente con cicli aggiuntivi, ovvero un maggiore contenuto di ossido di alluminio.

"Il contrasto si riferisce alla velocità con cui cambia il resist dopo essere stato esposto al fascio di elettroni, " ha spiegato Chang-Yong Nam, uno scienziato dei materiali nel gruppo CFN Electronic Nanomaterials, che ha supervisionato il progetto e concepito l'idea in collaborazione con Jiyoung Kim, un professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università del Texas a Dallas. "Il brusco cambiamento nell'altezza delle regioni esposte suggerisce un aumento del contrasto del resist per un numero maggiore di cicli di infiltrazione, quasi sei volte superiore a quello del resist originale PMMA".

Gli scienziati hanno anche utilizzato i resist ibridi per modellare linee rette periodiche e "gomiti" (linee che si intersecano) in substrati di silicio, e confrontato la velocità di attacco dei resist con i substrati.

"Vuoi che il silicio venga inciso più velocemente del resist, altrimenti il ​​resist inizia a degradarsi, " ha detto Nam. "Abbiamo scoperto che la selettività all'incisione del nostro resist ibrido è superiore a quella dei costosi resist proprietari (ad es. ZEP) e tecniche che utilizzano uno strato di maschera "duro" intermedio come il biossido di silicio per prevenire il degrado del modello, ma che richiedono ulteriori passaggi di elaborazione."

Andando avanti, il team studierà come le resistenze ibride rispondono all'esposizione EUV. Hanno già iniziato a utilizzare raggi X molli (intervallo di energia corrispondente alla lunghezza d'onda della luce EUV) presso la National Synchrotron Light Source II di Brookhaven (NSLS-II), e sperare di utilizzare una linea di luce EUV dedicata gestita dal Center for X-ray Optics presso l'Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Lab in collaborazione con partner del settore.

"L'assorbimento di energia da parte dello strato organico di resist EUVL è molto debole, " disse Nam. " Aggiungendo elementi inorganici, come stagno o zirconio, può renderli più sensibili alla luce EUV. Non vediamo l'ora di esplorare come il nostro approccio possa soddisfare i requisiti di prestazione di resistenza di EUVL".